генденштейн 11 магнитное поле
Магнитное поле
Магнитное взаимодействие, подобно электрическому, осуществляется посредством поля, которое называют магнитным.
Источники магнитного поля
Во-первых, как мы видели, магнитное поле создаётся электрическими токами. А поскольку электрический ток — это направленное движение заряженных частиц, мы приходим к выводу, что магнитное поле создаётся движущимися электрическими зарядами.
Вторым источником магнитного поля являются постоянные магниты, свойства которых объясняются магнитными свойствами электронов.
Наконец, третьим источником магнитного поля является, как мы увидим в следующих главах, изменяющееся во времени электрическое поле.
Магнитное поле проявляется в действии на проводники с током, на движущиеся электрические заряды и на постоянные магниты.
Вектор магнитной индукции
Магнитное поле в данной точке характеризуют векторной величиной, которую называют магнитной индукцией и обозначают 
. Для определения направления вектора магнитной индукции используют действие магнитного поля на постоянный магнит — магнитную стрелку.
| За направление вектора магнитной индукции принимают направление, на которое указывает северный полюс свободно вращающейся магнитной стрелки (рис. 1.6). |
Линии магнитной индукции
Поставим опыт
Посмотрим, как располагаются магнитные стрелки в различных точках вблизи полосового магнита (рис. 1.7).
Мы видим, что магнитные стрелки как бы выстраиваются вдоль некоторых линий. Их называют линиями магнитной индукции или магнитными линиями.
| Касательная к линии магнитной индукции в данной точке пространства показывает направление вектора магнитной индукции в этой точке. |
На рисунке 1.8 изображены линии магнитной индукции поля, создаваемого катушкой с током.
Мы видим, что они похожи на линии магнитной индукции поля, создаваемого полосовым магнитом (см. рис. 1.7).
Отличие состоит в том, что линии магнитной индукции поля, создаваемого катушкой с током, замкнуты, а линии магнитной индукции поля, создаваемого полосовым магнитом, кажутся незамкнутыми: мы видим, что они выходят из северного полюса и входят в южный полюс.
Но на самом деле линии магнитной индукции замкнуты всегда, поскольку магнитных зарядов не существует. Линии магнитной индукции поля, создаваемого полосовым магнитом, тоже замыкаются, проходя внутри магнита: внутри постоянного магнита существует магнитное поле.
Ответы к § 1. Магнитные взаимодействия
1. На обоих рисунках северный полюс обозначен цифрой 2.
2. Стрелка компаса указывает на север потому, что северный полюс магнитной стрелки притягивается к южному магнитному полюсу Земли. Следовательно, вблизи Северного географического полюса расположен южный магнитный полюс нашей планеты. А северный магнитный полюс Земли расположен вблизи её Южного географического полюса.
1 Строго говоря, это не совсем точно: вокруг проводников с токами существует электрическое поле. Однако в рассматриваемых примерах сила взаимодействия проводников, обусловленная электрическими силами, намного меньше силы, обусловленной магнитным взаимодействием.
4. Притягиваться будут витки, токи в которых направлены одинаково; отталкиваться — витки, токи в которых направлены противоположно.
5. Знак «плюс» соответствует цифре 1 на рисунке а, цифре 2 на рисунке б.
6. Указание. Воспользуйтесь тем, что половинки магнита, полученные в результате его разрезания, тоже подобны катушкам с током.
8. Указание. Учтите, что электроны заряжены отрицательно.
10. В случае а) модуль магнитной индукции равен нулю, в случае б) он равен 2В.
11. Рисунок а иллюстрирует опыт с полосовым магнитом, рисунок б — с прямолинейным проводником с током.
14. В соседних витках пружины токи будут направлены одинаково, поэтому после замыкания ключа пружина сожмётся. Это приведёт к размыканию цепи, и под действием силы тяжести пружина вернётся к начальному состоянию, замкнув цепь. В результате в пружине снова возникнет ток, и она опять сожмётся, разомкнув цепь. Таким образом, после замыкания ключа будут наблюдаться колебания: пружина будет попеременно сжиматься и разжиматься, касаясь плиты.
Магнитное поле (продолжение)
Правило буравчика
Направление линий магнитной индукции внутри катушки или витка с током можно определить с помощью следующего правила.
| Если вращать буравчик с правой резьбой так, чтобы направление вращения ручки буравчика совпадало с направлением тока в катушке или витке, то направление поступательного движения буравчика покажет направление линий магнитной индукции поля внутри катушки или в центре витка (см. рис. 1.8). |
Правило буравчика связывает направление кругового тока в витке или в катушке и направление вектора магнитной индукции поля, созданного этим током. Если задано одно из этих направлений (любое!), то с помощью правила буравчика мы можем найти другое направление.
7. На столе лежит круговой проволочный виток, в котором течёт ток по часовой стрелке. Как направлен вектор магнитной индукции поля, созданного этим током, в центре витка?
8. На стене укреплён проволочный круговой виток, в котором течёт ток. Вектор магнитной индукции поля, созданного этим током, направлен в центре витка в сторону стены. Сделайте пояснительный рисунок, на котором укажите направление тока в витке и направление движения свободных электронов.
Рассмотрим теперь, какой вид имеют линии магнитной индукции поля, создаваемого прямолинейным проводником с током.
Эти линии изображены на рисунке 1.9. Они имеют вид концентрических окружностей. Направление линий магнитной индукции и в этом случае можно определить с помощью правила буравчика.
| Если вращать буравчик с правой резьбой так, чтобы направление его поступательного движения совпадало с направлением тока, то направление вращения ручки буравчика покажет направление линий магнитной индукции поля, созданного этим током. |
3 Эти обозначения объясняются сопоставлением вектора со стрелой, имеющей хвостовое оперение.
Вы видите схематическое изображение:
— линий магнитной индукции, направленных «от нас» и «к нам»;
— тока в проводнике, направленного « от нас » и « к нам »;
— силы, направленной «от нас» и «к нам».
9. На рисунке 1.11 изображены два проводника с током. Каково направление вектора магнитной индукции поля, создаваемого каждым из этих токов, в точках А и С?
Рамка с током в магнитном поле
Рассмотрим жёсткую прямоугольную рамку с током, помещённую в магнитное поле (рис. 2.9). Рамка может вращаться вокруг оси ОО1.
Рассмотрим сначала случай, когда вектор магнитной индукции параллелен плоскости рамки.
Вертикальные стороны рамки перпендикулярны вектору магнитной индукции, поэтому на них действуют силы Ампера. А поскольку в противоположных вертикальных сторонах рамки текут противоположно направленные токи, силы Ампера будут поворачивать рамку вокруг оси ОО1.
9. Перенесите рисунок 2.9 в тетрадь.
а) Изобразите на рисунке силы Ампера, действующие на вертикальные стороны рамки с током.
б) Определите направление вектора магнитной индукции поля рам, создаваемого током рамки в её центре.
в) Определите, как будет изменяться угол между и рам при повороте рамки под действием сил, действующих со стороны внешнего магнитного поля: увеличиваться или уменьшаться?
Итак, в результате действия сил Ампера рамка будет поворачиваться так, чтобы вектор магнитной индукции поля, создаваемого током в рамке, совпадал по направлению с вектором магнитной индукции внешнего поля.
Как мы скоро увидим, поворот рамки в магнитном поле лежит в основе действия электроизмерительных приборов и электродвигателей.
Но всегда ли силы Ампера поворачивают рамку с током?
10. На рисунках 2.10 и 2.11 схематически изображены рамки с током в магнитном поле. Рамки могут вращаться вокруг оси ОО1.
а) Объясните, почему в каждом из этих случаев момент сил Ампера, приложенных к сторонам рамки, равен нулю.
Подсказка. Примените правило левой руки.
б) В каком из изображённых случаев рамка будет находиться в положении устойчивого равновесия?
Подсказка. Рассмотрите силы Ампера, действующие на боковые стороны рамки при небольшом отклонении её от показанного положения, и определите, в каком случае они будут возвращать рамку к исходному положению, а в каком — удалять её от него.
в) Когда рамка находится в положении устойчивого равновесия, действующие на её стороны силы Ампера растягивают рамку или сжимают её?
§ 5. Явление электромагнитной индукции. Правило Ленца (продолжение)
7. Определите направление индукционного тока в кольце (рис. 5.3) и опишите поведение кольца, если:
а) вдвигать полосовой магнит северным полюсом вперёд;
б) выдвигать северный полюс полосового магнита из кольца;
в) вдвигать полосовой магнит южным полюсом вперёд;
г) выдвигать южный полюс полосового магнита из кольца.
Что произойдёт при внесении магнита, если кольцо сделано из диэлектрика?
8. Проводник, согнутый в виде прямоугольной рамки, помещён в однородное магнитное поле (рис. 5.4). Индукция магнитного поля уменьшается со временем.
а) Как направлен индукционный ток в проводнике?
б) Как будет направлен ток, если магнитное поле будет направлено от нас?
в) Как будет направлен индукционный ток если магнитная индукция будет увеличиваться в случаях а—б, со временем?
9. В катушке 1 силу тока можно изменять с помощью реостата (рис. 5.5, а). На рисунке 5.5, б показан график зависимости силы тока в катушке 1 от времени. В какие промежутки времени амперметр фиксирует наличие индукционного тока в катушке 2?
10. Плоская рамка помещена в однородное магнитное поле, линии магнитной индукции которого перпендикулярны её плоскости. Как изменится магнитный поток через рамку, если число витков рамки уменьшить в 3 раза, а индукцию магнитного поля увеличить в 9 раз?
11. На рисунке 5.6 изображён проводящий контур, сквозь который проходят магнитные линии. Вследствие изменения индукции магнитного поля в контуре возникает индукционный ток I, текущий по часовой стрелке. Как изменяется индукция магнитного поля?